電水壺是一種常見(jiàn)的家用電器，通?；谡魵庵悄芨袘?yīng)控溫技術(shù)，常備過(guò)熱保護(hù)、水沸或水干自動(dòng)斷電等功能，可將水快速煮沸，使用便捷。隨著生活的需要，當(dāng)前的電水壺正在向多功能方向發(fā)展，如防漏、防燙、水、保溫、養(yǎng)生、遠(yuǎn)程控制等。工程師設(shè)計(jì)電水壺前需了解和遵循的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)是IEC60335（IEC60335-1 家用和類(lèi)似用途電器的安全通用要求以及IEC60335-2-15 液體加熱器具的特殊要求）；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB 4706.1-2005《家用和類(lèi)似用途電器的安全 第1部分：通用要求》、GB 4706.19-2008《家用和類(lèi)似用途電器的安全 液體加熱器的特殊要求》和GB/T 22089-2008《電水壺性能要求及試驗(yàn)方法》。

最簡(jiǎn)單的電水壺主要分為底座和鐵壺兩部分，下半部分底座的主要功能是把220V的交流電導(dǎo)入到水壺底部的鏈接器上，底座拆開(kāi)后可見(jiàn)三角插頭對(duì)應(yīng)的火線、零線與地線接線柱。地線對(duì)應(yīng)底座中間的圓孔觸點(diǎn)、火線和零線的觸點(diǎn)在小圓與大圓的側(cè)面，同時(shí)這三個(gè)觸點(diǎn)與電熱水壺底部觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)。上半部分鐵壺由壺身（帶刻度、標(biāo)注最大燒水量）、手柄、蒸汽開(kāi)關(guān)、電熱絲/發(fā)熱盤(pán)、限流電阻、氦氖指示燈和溫控開(kāi)關(guān)（防干燒開(kāi)關(guān)）組成。底部的加熱部件也是電水壺的核心部分，通常采用電阻線圈將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱量傳導(dǎo)到整個(gè)鐵壺，燒開(kāi)壺內(nèi)的水，開(kāi)關(guān)部分比較巧妙，蒸汽開(kāi)關(guān)可以受氣體控制，開(kāi)始燒水時(shí)按下開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)閉合，指示燈亮；當(dāng)壺內(nèi)水沸騰后，水蒸氣將通過(guò)唯一的小孔，躥到開(kāi)關(guān)處，強(qiáng)大的單向氣流把開(kāi)關(guān)彈開(kāi)從而達(dá)到自動(dòng)斷電的功能，指示燈滅。和限流電阻并聯(lián)的指示燈是氦氖燈泡，這種燈泡可以采用220V供電，耐高壓用于指示水壺是否處于上電狀態(tài)。

圖2、電水壺結(jié)構(gòu)及電路圖

在了解了水的加熱原理后，那么電水壺在水燒開(kāi)之后，或者水燒干之后，可以自動(dòng)斷電，這又是什么原理呢？蒸汽開(kāi)關(guān)、溫控開(kāi)關(guān)這兩個(gè)重要部件起到了關(guān)鍵作用。

“蒸汽開(kāi)關(guān)”和“溫控開(kāi)關(guān)”其實(shí)都是利用了雙金屬片的原理，它的核心部分是一個(gè)蝶形金屬薄片。雙金屬片是由二種或多種具有合適性能的金屬或其它材料所組成的一種復(fù)合材料。由于各組元層的熱膨脹程度不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，主動(dòng)層的形變要大于被動(dòng)層的形變，從而雙金屬片的整體就會(huì)向被動(dòng)層一側(cè)彎曲。

圖3、雙金屬片機(jī)械開(kāi)關(guān)

當(dāng)熱水壺內(nèi)的水沸騰時(shí)，產(chǎn)生大量水蒸汽，它們通過(guò)底部小孔進(jìn)入碟型雙金屬片的位置。蒸汽使得金屬片的溫度迅速上升，一旦超過(guò)某個(gè)值（蒸汽開(kāi)關(guān)的觸發(fā)溫度通常為100℃），金屬片會(huì)發(fā)生彎曲形變，從而切斷電源停止加熱。

圖4、蒸汽開(kāi)關(guān)

溫控開(kāi)關(guān)固定在水壺底部，一般都處在閉合的狀態(tài)。如果蒸汽開(kāi)關(guān)發(fā)生故障不能及時(shí)切斷電源時(shí)，水就會(huì)一直被燒干，水壺底部會(huì)過(guò)熱，此時(shí)防干燒開(kāi)關(guān)觸發(fā)。如圖所示，與金屬片連接的有一根圓柱，感溫面實(shí)時(shí)檢測(cè)壺底的溫度變化，一旦溫度過(guò)熱，防干燒開(kāi)關(guān)的蝶形金屬片開(kāi)始向下變形彎曲，從而把圓柱下面的導(dǎo)線接觸片壓下去，從而切斷電源避免燒壞水壺。

圖5、溫控開(kāi)關(guān)

以上就是最常見(jiàn)最簡(jiǎn)單的電水壺了。以下一款帶按鍵帶顯示功能的九陽(yáng)電水壺，根據(jù)博主“24c01硬件電子”的拆解可見(jiàn)，電水壺壺底就有電源板、加熱絲、按鍵板、顯示數(shù)碼管和溫度傳感器等組件了。該電水壺的拆解圖片如下圖所示：

圖6、九陽(yáng)電水壺拆解

首先是電源板和壺底，可以看到熱水壺的接電部分，最中間是火線，第二圈是零線，最外圈是地線，同時(shí)熱水壺的壺體金屬部分也是連接到地線的，這個(gè)也是為了保證我們?nèi)梭w的安全。關(guān)于電源及周邊部分，只看到了差模防護(hù)火線和零線之間加了一個(gè)壓敏電阻（絲印HEL 100561K），沒(méi)有看到做EMC的共模防護(hù)，除此以外還有STRIX溫控器、保險(xiǎn)絲、X電容、繼電器、點(diǎn)解電容、變壓器、光耦、蜂鳴器等元器件：

圖7、電水壺壺底正面拆截圖

其次看電源板的背面，可以看到主控采用的是中穎的SH79F084，是一個(gè)基于8051兼容流水指令的8位單片機(jī)。電源芯片絲印G38654，是一個(gè)反激的拓?fù)?，?yīng)該是輸出12V，經(jīng)過(guò)一個(gè)78L05給單片機(jī)以及數(shù)碼管按鍵板供電。左下角采用了一個(gè)sot23的三極管S8050和1N4148作為繼電器的控制部分，控制電水壺的加熱和調(diào)溫，繼電器型號(hào)是永能的YX201H-S-11DMF：

圖8、電水壺電源板背面

接下來(lái)是平平無(wú)奇的按鍵板，像這種三根線，想都不用想，基本就是ADC按鍵跑不了的。

圖9、電水壺按鍵板

顯示數(shù)碼管部分采用的是TT1628的控制芯片，然后與MCU一起控制數(shù)碼管：

圖10、電水壺顯示數(shù)碼管部分

最終該款九陽(yáng)電水壺能實(shí)現(xiàn)45℃沖泡奶粉，55℃溶解蜂蜜，75℃沖泡燕麥，85℃沖泡綠茶和100℃白水燒開(kāi)的多段式恒溫功能。

還有eWiseTech拆解的西摩小智電水壺，在傳統(tǒng)電水壺上加上了智能控制的功能，可以通過(guò)WiFi和手機(jī)連接，在手機(jī)應(yīng)用上設(shè)置預(yù)約用水時(shí)間、實(shí)時(shí)查看水溫、調(diào)節(jié)燒水模式（煮沸、保溫、偏好等），還有冷水通知，缺水報(bào)警的功能。

圖11、西摩小智電水壺（圖源：eWiseTech）

這款智能電水壺采用了慶科（MXCHIP）的EMW3162的WiFi無(wú)線通信模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能操控，內(nèi)含一顆意法半導(dǎo)體的主控芯片STM32F205RGT6和博通的WiFi芯片BCM43362。周邊配套元器件有友旺的低壓差線性穩(wěn)壓器UTC1117、安森美/飛兆的光耦MOC3023、夏普的光耦PC817、一顆可控硅BT139、芯朋的AC/DC轉(zhuǎn)換芯片PN8355、愛(ài)福的繼電器、STRIX的溫控開(kāi)關(guān)、一顆溫度傳感器和加熱組件等。

圖12、西摩小智電水壺部分元器件組成

近年來(lái)電熱水壺除了接地保護(hù)防漏電（地線）、水開(kāi)自動(dòng)斷電（蒸汽開(kāi)關(guān)）、防干燒保護(hù)（溫控開(kāi)關(guān)）和過(guò)熱保護(hù)（熱熔斷器）等安全性設(shè)計(jì)，還逐漸融入紅外測(cè)溫傳感器，進(jìn)一步提升了智能化水平。與蒸汽式自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)和溫控器相比，紅外測(cè)溫傳感器能夠直接、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壺內(nèi)水溫變化。當(dāng)水溫達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，它會(huì)迅速將信息反饋至控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電或降低功率，從而避免人工定時(shí)或過(guò)度加熱。這種方式不僅提升了燒水效率，還顯著減少了能源消耗，更符合現(xiàn)代社會(huì)低碳節(jié)能的理念。例如，用戶無(wú)需時(shí)刻守在水壺旁，一旦水開(kāi)，電熱水壺就能自動(dòng)停止加熱，避免能源浪費(fèi)。

同時(shí)，紅外測(cè)溫傳感器還具備更強(qiáng)的安全保護(hù)功能。當(dāng)水壺表面溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器會(huì)立即觸發(fā)安全機(jī)制，自動(dòng)切斷電源，有效防止干燒、內(nèi)部器件過(guò)熱短路等隱患，大幅提升使用安全性和用戶體驗(yàn)。例如，當(dāng)壺內(nèi)意外缺水時(shí)，傳感器能及時(shí)檢測(cè)到異常高溫并主動(dòng)斷電，防患于未然。

以領(lǐng)麥微為代表的國(guó)產(chǎn)廠商已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得突破，其W-TRS-5.5Dx系列高精度數(shù)字紅外熱電堆傳感器集成MEMS熱電堆芯片、NTC熱敏電阻及信號(hào)調(diào)理ASIC，搭載24位ADC和低噪聲PGA，具備免校準(zhǔn)高精度測(cè)溫、毫秒級(jí)響應(yīng)、低功耗等優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品不僅達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，還以更優(yōu)的性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代，為國(guó)內(nèi)電熱水壺行業(yè)注入了新的活力。

審核編輯 黃宇